-
Technisches Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mehreren DC/AC-Wandlern, die ausgangsseitig an einen gemeinsamen Sinusfilter angeschlossen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Energieerzeugungsanlage mit einem derartigen Wechselrichter.
-
Stand der Technik
-
Wechselrichter, die zur Wandlung größerer Leistungen eingesetzt werden, umfassen oftmals mehrere DC/AC-Wandler, die ausgangsseitig gemeinsam an einen Ausgang des Wechselrichters angeschlossen sind. Eingangsseitig können die DC/AC-Wandler an eine gemeinsame, oder an jeweils separate Gleichspannungsquellen angeschlossen sein. Der gesamte Leistungsfluss des Wechselrichters wird somit auf die Leistungsflüsse durch die einzelnen DC/AC-Wandler aufgeteilt, deren Phasenleiter jeweils mit einem gemeinsamen Phasenanschluss des Wechselrichters verbunden sind. Zur Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung umfassen die DC/AC-Wandler Halbleiterschalter, die je nach Leistung üblicherweise mit einer Frequenz von 3 kHz bis 150 kHz getaktet werden. Der gewandelten sinusförmigen Wechselspannung ist daher zunächst ein unerwünschtes taktfrequentes Störsignal überlagert. Zur Filterung des taktfrequenten Störsignales beinhalten Wechselrichter üblicherweise einen sogenannten Sinusfilter, der üblicherweise als LC-Filter oder als LCL-Filter ausgebildet ist und induktive und kapazitive Komponenten umfasst. Ein erforderlicher Bauraum wie auch die Kosten eines Sinusfilters skalieren mit der Leistung des DC/AC-Wandlers. Daher ist es gewünscht, den Sinusfilter möglichst kompakt zu realisieren. Bei der ausgangsseitigen Verbindung von mehreren DC/AC-Wandlern ist zudem gewünscht, dass ein zirkulierender Strom zwischen den DC/AC-Wandlern untereinander möglichst reduziert, idealerweise vollständig unterdrückt wird. Ein Mittel zur Unterdrückung des zirkulierenden Stroms ist eine synchrone Taktung von Halbleiterschaltern der einzelnen DC/AC-Wandler. Die synchrone Taktung führt jedoch durch Überlagerung zu einem erhöhten taktfrequenten Störsignal an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters.
-
Aus der Schrift
WO 2013 170 906 A1 ist eine Induktoranordnung mit mindestens drei nebeneinander in einer Reihe angeordneten Magnetschleifen bekannt. Jeder der Magnetschleifen ist mindestens eine Wicklung zugeordnet. Die Magnetschleifen werden durch individuelle und gemeinsame Kernelemente gebildet. Dabei ist jedes der individuellen Kernelemente jeweils Teil lediglich einer der Magnetschleifen, während jedes der gemeinsamen Kernelemente jeweils Teil zweier benachbarter Magnetschleifen ist.
-
Die Schrift
WO 2017 063889 A1 offenbart einen dreiphasigen Wechselrichter mit jeweils zwei phasenversetzt zueinander getakteten Halbbrücken für jeden Phasenanschluss des Wechselrichters, die ausgangsseitig über eine Induktoranordnung mit dem gemeinsamen Phasenanschluss verbunden sind. Die Induktoranordnung umfasst einen Magnetkern mit einem mittleren Schenkel und drei Phasenschenkeln, die jeweils mit dem Mittelschenkel durch eine obere Brücke und eine untere Brücke magnetisch verbunden sind. Ein Mittelpunkt jedes Phasenschenkels ist magnetisch mit einem Mittelpunkt des Mittelschenkels über ein Nebenschlusselement mit einem Spalt verbunden. Auf jedem Phasenschenkel ist eine obere und eine untere Induktorspule angeordnet. Ein zweiter Anschluss der oberen Induktorspule und ein dritter Anschluss der unteren Induktorspule sind mit einem gemeinsamen Phasenanschluss verbunden. Ein erster Anschluss der oberen Induktorspule ist mit dem Ausgang der ersten Halbbrücke, ein vierter Ausgang der unteren Induktorspule ist mit dem Ausgang der zweiten Halbbrücke verbunden. Die obere und die untere Induktorspule eines Phasenschenkels weisen von einem mit der Halbbrücke verbundenen Anschluss in Richtung zu einem mit dem Phasenanschluss verbundenen Anschluss entgegengesetzte Wicklungsrichtungen auf. Eine Bauform der Induktoranordnung ist sternförmig und in allen drei Dimensionen ausgedehnt.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit mehreren DC/AC-Wandlern und einem Sinusfilter mit möglichst kompakter und kostengünstiger Bauform anzugeben. Insbesondere soll dabei eine möglichst ebene Bauform für eine Drosselanordnung des Sinusfilters angegeben werden, die zumindest in einer Dimension möglichst gering aufbaut. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine Energieerzeugungsanlage mit einem derartigen Wechselrichter aufzuzeigen.
-
Lösung
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wechselrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Wechselrichters sind in den Ansprüchen 2 bis 18 wiedergegeben. Die Aufgabe, eine Energieerzeugungsanlage mit einem derartigen Wechselrichter aufzuzeigen, wird mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 19 gelöst.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter ist zur Umwandlung von Gleichspannung mindestens einer Gleichspannungsquelle in Wechselspannung ausgelegt und eingerichtet und umfasst:
- - einen Eingang mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschluss der Gleichspannungsquelle,
- - einen mehrphasigen Ausgang mit n (wobei n>1) Phasenanschlüssen,
- - eine Mehrzahl m (mit m>1) mehrphasiger DC/AC-Wandler mit jeweils n Phasenleitern,
- - und einen von jedem der DC/AC-Wandler gemeinsam genutzten, eine Drosselanordnung (10) aufweisenden Sinusfilter. Dabei ist jeder Phasenanschluss mit jeweils einem korrespondierenden Phasenleiter jedes DC/AC-Wandlers über eine Drosselwicklung der Drosselanordnung elektrisch verbunden. Der Wechselrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselanordnung m*n Drosselwicklungen und einen Magnetkern mit n Querstegen und zwei äußeren Längsstegen aufweist. Auf jedem der n Querstege sind m Drosselwicklungen nebeneinander angeordnet. Dabei sind diejenigen der m*n Drosselwicklungen, die mit demselben Phasenanschluss verbunden sind, jeweils auf demselben Quersteg angeordnet. Dabei weisen alle auf demselben der Querstege angeordneten Drosselwicklungen ausgehend von einem ersten Anschluss, der mit einem der Phasenleiter eines der DC/AC-Wandler verbunden ist, in Richtung eines zweiten Anschlusses, der mit einem der Phasenanschlüsse des Wechselrichters verbunden ist, den gleichen Wicklungssinn auf. Zusätzlich zu den äußeren Längsstegen umfasst der Magnetkern einen oder mehrere innere Längsstege. Dabei verlaufen die innenliegenden Längsstege jeweils zwischen nebeneinander auf den Querstegen angeordneten Drosselwicklungen und verbinden dort die n Querstege miteinander. Insbesondere kann der Magnetkern m-1 innere Längsstege umfassen, wobei m der Anzahl der DC/AC-Wandler entspricht.
-
Eine Drosselwicklung kann lediglich eine Windung aufweisen, üblicherweise beinhaltet sie jedoch mehrere Windungen. Erfindungsgemäß weisen zumindest die auf demselben der Querstege angeordneten Drosselwicklungen ausgehend von ihrem ersten Anschluss, der mit einem der Phasenleiter eines der DC/AC-Wandler verbunden ist, in Richtung ihres zweiten Anschlusses, der mit dem jeweiligen Phasenanschluss des Wechselrichters verbunden ist, den gleichen Wicklungssinn um denselben der Querstege auf. Vorteilhafterweise können jedoch alle Drosselwicklungen, auch wenn sie auf unterschiedlichen Querstegen angeordnet sind, einen gleichen Wicklungssinn aufweisen, und zwar ausgehend von ihrem jeweils ersten Anschluss, der mit einem der Phasenleiter eines der DC/AC-Wandler verbunden ist, in Richtung ihres jeweils zweiten Anschlusses, der mit dem jeweiligen Phasenanschluss des Wechselrichters verbundenen ist. Daraus, dass diejenigen der m*n Drosselwicklungen, die mit demselben Phasenanschluss verbunden sind, jeweils auf demselben Quersteg angeordnet sind, folgt unmittelbar, dass diejenigen der m*n Drosselwicklungen, die mit einem unterschiedlichen der Phasenanschlüsse verbunden sind, auch jeweils auf unterschiedlichen Querstegen angeordnet sind.
-
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass sich im Betrieb des Wechselrichters alle magnetischen Flüsse, die demselben Phasenanschluss des Wechselrichters zugeordnet sind, innerhalb des entsprechenden Quersteges konstruktiv überlagern. Eine Verbindung der verschiedenen Querstege untereinander erfolgt einerseits über die zwei äußeren Längsstege und andererseits über den einen oder die mehreren inneren Längsstege. Weist der Magnetkern insgesamt m-1 innere Längsstege auf, so erfolgt die Verbindung der verschiedenen Querstege untereinander einerseits über die zwei äußeren und andererseits über die m-1 inneren Längsstege. Dabei stellen die innenliegenden Längsstege einen Pfad für einen magnetischen Fluss bereit, der aus einer unsymmetrischen Belastung der Phasenanschlüsse und/oder aus unsymmetrischen oder ungleichen Leistungsflüssen durch die DC/AC-Wandler resultiert. Abhängig von ihrem Querschnitt erlaubt der innen liegende Längssteg beziehungsweise erlauben die innen liegenden Längsstege somit auch einen nicht symmetrischen Belastungszustand des Wechselrichters, sowohl hinsichtlich eines Leistungsflusses über jeden seiner Phasenanschlüsse als auch hinsichtlich der Leistungsflüsse durch seine DC/AC-Wandler. Dieser unsymmetrische Belastungszustand, der bei unterschiedlichen Leistungsflüssen über jeden der Phasenanschlüsse und/oder über jeden der DC/AC-Wandler auftritt, kann bei einem Magnetkern ohne innere Längsstege nicht, zumindest jedoch nicht ausreichend, gewährleistet werden. Vielmehr erlaubt ein Magnetkern ohne innenliegende Längsstege - wenn überhaupt - nur eine geringfügige Abweichung von einem idealisierten symmetrischen Belastungszustand. Da der idealisierte symmetrische Belastungszustand jedoch im üblichen Betrieb des Wechselrichters nur relativ vereinzelt auftritt, wäre eine Beschränkung auf lediglich diesen Belastungszustand extrem nachteilig für den Einsatz des Wechselrichters.
-
Der Effekt der innenliegenden Längsstege auf die Verteilung der magnetischen Flüsse innerhalb des Magnetkerns und deren Änderung bei einem unsymmetrischen Belastungszustand des Wechselrichters wird im Folgenden näher erläutert. Dabei wird zunächst von dem symmetrischen Belastungszustand ausgegangen und danach auf einen unsymmetrischen Belastungszustand verallgemeinert. Der symmetrische Belastungszustand ist durch einen gleichen Leistungsfluss durch jeden der DC/AC-Wandler und durch einen symmetrischen bzw. gleichen Leistungsfluss über die einzelnen Phasenanschlüsse des Wechselrichters gekennzeichnet. Dabei bezieht sich die geforderte Gleichheit der Leistungsflüsse durch jeden der DC/AC-Wandler jeweils auf einen zeitlichen Mittelwert über zumindest eine Periodendauer der Wechselspannung. Gleiches gilt für den symmetrischen oder gleichen Leistungsfluss über die Phasenanschlüsse des Wechselrichters. Auch hier ist damit ein gleicher Mittelwert des Leistungsflusses gemeint, der sich aus einer zeitlichen Mittelung über eine Periodendauer der Wechselspannung ergibt.
-
Der technische Effekt wird exemplarisch an einer Bauform erläutert, die insgesamt m-1 derartige innenliegende Längsstege aufweist. In diesem Fall ist also zwischen jeweils zwei Drosselwicklungen, die auf demselben der Querstege angeordnet sind, ein innerer Längssteg angeordnet. Für eine derartige Bauform kann man nun den magnetischen Fluss in den innenliegenden Längsstegen unter Annahme des in dem bestimmten Betriebsmodus herrschenden symmetrischen Leistungsflusses ermitteln. Wie auch in Verbindung mit 2a erläutert, ergibt sich für diesen idealisierten Fall eine vollständige Auslöschung des magnetischen Flusses in den innenliegenden Längsstegen. Diese rührt daher, dass sich magnetische Teilflüsse benachbarter Drosselwicklungen, die auf dem gleichen der Querstege angeordnet sind, innerhalb jedes innenliegenden Längssteges destruktiv überlagern. In dem bestimmten Betriebsmodus, bei dem nun gleiche Leistungsflüsse durch jeden der DC/AC-Wandler und symmetrische oder gleiche Leistungsflüsse der einzelnen Phasenanschlüsse relativ zueinander vorliegen, sind die magnetischen Teilflüsse benachbarter Drosselwicklungen in jedem der innen liegenden Längsstege betragsmäßig gleich und entgegen gerichtet, weswegen sie sich dort vollständig auslöschen. Da in den innenliegenden Längsstegen somit faktisch kein magnetischer Fluss vorhanden ist, können die innenliegenden Längsstege - zumindest für den bestimmten Betriebsmodus, der dem symmetrischen Belastungszustand zugeordnet ist, gänzlich entfallen. Bei einem Übergang zu einem nicht symmetrischen Belastungszustand des Wechselrichters, der durch unterschiedliche Leistungsflüsse über die einzelnen Phasenanschlüsse und/oder über die verschiedenen der DC/AC-Wandler gekennzeichnet ist, ändern sich die magnetischen Teilflüsse in den inneren Längsstegen. Obwohl weiterhin eine destruktive Überlagerung der magnetischen Teilflüsse in den inneren Längsstegen vorliegt, sind die einzelnen Teilflüsse nun jedoch betragsmäßig unterschiedlich. Daher findet keine vollständige Auslöschung, sondern lediglich eine Schwächung des jeweils stärkeren der magnetischen Teilflüsse statt. Effektiv ergibt sich somit ein resultierender magnetischer Fluss in den inneren Längsstegen. Dieser ist jedoch aufgrund der weiterhin vorliegenden destruktiven Überlagerung der magnetischen Teilflüsse benachbarter Drosseln auf demselben der Querstege deutlich geringer ausgeprägt, als der magnetische Fluss, der sich in dem normalen Betrieb des Wechselrichters in den äußeren Längsstegen ergibt. Aufgrund des schwächeren magnetischen Flusses in den inneren Längsstegen können diese verglichen mit den äußeren Längsstegen mit deutlich geringerem Querschnitt und daher deutlich kompakter ausgelegt werden. Die oben genannten Überlegungen lassen sich auch auf einen Magnetkern mit einem oder mehreren, aber weniger als m-1 inneren Längsstegen übertragen. Die noch tolerierbare unsymmetrische Belastung hinsichtlich der Leistungsflüsse mag zwar geringer ausfallen und gegebenenfalls nur auf bestimmte Phasenanschlüsse begrenzt sein. Oftmals ist sie jedoch noch ausreichend. Der Magnetkern, die Drosselanordnung und somit auch der gesamte Sinusfilter des Wechselrichters werden extrem kompakt und kostengünstig. Zudem kann der Magnetkern der Drosselanordnung bauformbedingt so gestaltet werden, dass er sich entlang einer Ebene erstreckt, während eine senkrecht zu der Ebene verlaufende Dimension dagegen deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Dies ist vorteilhaft für den Einbau in ein Gehäuse des Wechselrichters. Insgesamt kann damit auch das den Sinusfilter aufnehmende Gehäuse des Wechselrichters, entsprechend kompakt gehalten werden und es ergibt sich nicht nur eine deutliche Gewichts-, sondern auch eine signifikante Kostenersparnis für den Wechselrichter.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Wechselrichter mindestens einen weiteren Eingang mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschluss einer weiteren Gleichspannungsquelle aufweisen. Dabei ist der weitere Eingang mit einem der DC/AC-Wandler verbunden. Die weitere Gleichspannungsquelle kann von der Gleichspannungsquelle verschieden sein. Bei der weiteren Gleichspannungsquelle kann es sich jedoch auch um die Gleichspannungsquelle handeln, die bereits an den Eingang des Wechselrichters angeschlossen ist. Bei dem Wechselrichter kann keiner, jeweils einer oder jeder der Eingangsanschlüsse des Eingangs mit jeweils einem korrespondierenden Eingangsanschluss des weiteren Eingangs verbunden sein. Hierdurch wird ermöglicht, dass auch unterschiedliche Gleichspannungsquellen, von denen eine an den Eingang und eine andere an den weiteren Eingang angeschlossenen sind, entweder unabhängig voneinander, mit einem gleichen Massepotential oder auch zueinander parallelgeschaltet betrieben werden können. Bevorzugt ist mindestens einer der der Eingangsanschlüsse des Eingangs mit jeweils einem korrespondierenden Eingangsanschluss des weiteren Eingangs verbunden
-
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Wechselrichter mehrere weitere Eingänge, insbesondere m weitere Eingänge aufweist, wobei m der Anzahl der DC/AC-Wandlern des Wechselrichters entspricht. Im letzteren Fall ist jeder der Eingänge mit einem unterschiedlichen der DC/AC-Wandler verbunden. Auch in einem derartigen Fall können jedoch keiner, jeweils einer oder jeder der Eingangsanschlüsse des Eingangs mit jeweils einem korrespondierenden Eingangsanschluss von einem oder mehreren weiteren Eingängen verbunden sein.
-
In einer Ausführungsform des Wechselrichters können die innenliegenden Längsstege im Vergleich zu den außenliegenden Längsstegen hinsichtlich ihres Querschnittes deutlich geringer ausgelegt werden, da sie ja im Betrieb des Wechselrichters weiterhin eine destruktive Überlagerung von magnetischen Teilflüssen benachbarter Drosselwicklungen enthalten. Somit können die außenliegenden Längsstege relativ zu den innenliegenden Längsstegen mit einem größeren Querschnitt ausgeführt sein. Auch für Betriebsmodi des Wechselrichters, die im zeitlichen Mittel unterschiedliche Leistungsflüsse durch die einzelnen DC/AC-Wandler und/oder unterschiedliche Leistungsflüsse über die einzelnen Phasenanschlüsse aufweisen, ergibt sich aufgrund der gering zu dimensionierenden inneren Längsstege immer noch eine signifikante Materialersparnis in einer Auslegung der Drosselanordnung.
-
Zusammen mit den äußeren und inneren Längsstegen, sowie den Querstegen weist der Magnetkern in einer Draufsicht auf dessen Ebene somit ein kreuzförmliches Muster von sich rechtwinklig kreuzenden Querstegen und Längsstegen auf. Dabei schließen benachbarten Querstegen und benachbarten Längsstege zusammen rechteckige Maschen als Hohlräume ein. Der Magnetkern kann prinzipiell einstückig aufgebaut sein. Für eine Herstellung der Drosselanordnung und ein Aufbringen der Drosselwicklungen ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Magnetkern mehrstückig ausgebildet ist. Dabei kann jeder der Querstege aus mehreren Segmenten, insbesondere aus m Segmenten aufgebaut sein. Alternativ oder kumulativ kann jeder der inneren Längsstege, optional auch jeder der äußeren Längsstege, aus mehreren Segmenten aufgebaut sein. In einer Ausführungsform, bei der jeder der Querstege aus mehreren Segmenten aufgebaut ist; können Spalte zwischen den Segmenten der Querstege und den außenliegenden Längsstegen und/oder zwischen den Segmenten der Querstege und den innenliegenden Längsstegen angeordnet sein. Alternativ oder kumulativ ist es möglich, dass Spalte in einem von den Drosselwicklungen überdeckten Bereich der Querstegen angeordnet sind. Unter einem Spalt ist hier stets ein magnetischer Spalt zu verstehen. Dabei kann es sich sowohl um einen Luftspalt, aber auch um einen Spalt handeln, der mit einem nicht ferromagnetischen Material niedriger Permeabilität gefüllt ist.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Magnetkern einen zusätzlichen Quersteg aufweisen, auf dem keine Drosselwicklung angeordnet ist. Dabei kann der zusätzliche Quersteg an einem Außenrand der Drosselanordnung angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Magnetkern auch zwei zusätzliche Querstege aufweisen, auf denen keine Drosselwicklung angeordnet ist. Dabei können die zusätzlichen Querstege an gegenüberliegenden Außenrändern der Drosselanordnung angeordnet sein. In beiden Anordnungen ergibt sich ein größerer Freiheitsgrad für einen unsymmetrischen Betrieb des Wechselrichters, sowohl in Bezug auf eine unterschiedliche Leistungsentnahme an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters als auch hinsichtlich unterschiedlicher Leistungsflüsse durch die einzelnen DC/AC-Wandler des Wechselrichters. In einer Ausführungsform des Wechselrichters kann sich eine Leistungsabgabe oder eine Leistungsaufnahme eines der DC/AC-Wandler um zumindest 10% einer Nennleistung des betreffenden DC/AC Wandlers von einer Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme eines anderen der DC/AC-Wandler unterscheiden.
-
In einer Ausführungsform kann der Wechselrichter als dreiphasiger Wechselrichter mit drei (n=3) Phasenanschlüssen (U, V, W) ausgebildet sein. Dabei kann auch jeder der DC/AC-Wandler als dreiphasiger DC/AC-Wandler mit drei Phasenleitern ausgebildet sein. Abhängig von einer Nominalleistung des Wechselrichters kann der Wechselrichter zwei (m=2) oder drei (m=3) mehrphasig ausgebildete DC/AC-Wandler umfassen. Der Wechselrichter kann als unidirektional operierender, oder als bidirektional operierender Wechselrichter ausgebildet und eingerichtet sein.
-
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass einige der, insbesondere alle m DC/AC-Wandler über eine Steuerung des Wechselrichters synchron zueinander getaktet werden. In einer Ausführungsform umfasst der Wechselrichter aber eine Steuerung, die ausgelegt und eingerichtet ist, die m DC/AC-Wandler mit gleicher Schaltfrequenz, jedoch innerhalb einer Schalterperiode phasenversetzt zueinander zu takten. Auf diese Weise wird ein Spannungsripple als Störsignal an den Phasenanschlüssen des Wechselrichters weitgehend reduziert. Dabei kann der Wechselrichter für jeden der DC/AC-Wandler einen korrespondierenden DC/AC-Wandler aufweisen, so dass der DC/AC Wandler und der korrespondierende DC/AC-Wandler relativ zueinander einen Phasenversatz von Δϕ = 360°/m aufweisen.
-
Die Drosselwicklungen können direkt auf den Magnetkern gewickelt sein. Dabei kann der Magnetkern in einem von der Drosselwicklung überdeckten Bereich eine Schutzschicht aus isolierenden Material aufweisen. Unabhängig davon, wie die Drosselwicklungen auf die Querstege aufgebracht werden, ist es hinsichtlich eines möglichst gering nach außen tretenden magnetischen Streufeldes vorteilhaft, wenn alle Drosselwicklungen, die auf demselben der Querstege nebeneinander angeordnet sind, dort koaxial zueinander angeordnet sind. Alternativ ist es auch möglich, die Drosselwicklungen jeweils auf Wicklungsträger aus isolierenden Material zu wickeln, und diese danach auf die Segmente des Magnetkerns, insbesondere deren Querstege aufzubringen. Dabei können die Drosselwicklungen einen drahtförmigen, folienförmigen, bandförmigen oder litzenförmigen elektrischen Leiter aufweisen. Ein bandförmiger elektrischer Leiter ist hinsichtlich seines Querschnittes ähnlich einem folienförmigen elektrischen Leiter, weist jedoch eine größere Dicke und somit bei gleicher Breite eine größere Querschnittfläche auf. Ein folienförmiger oder bandförmiger elektrischer Leiter ist insbesondere im Hinblick auf eine höhere Stromtragfähigkeit vorteilhaft.
-
Für eine Verwendung der Drosselanordnung innerhalb eines Sinusfilters des Wechselrichters kann jeder der Phasenanschlüsse mit einem Anschluss eines Kondensators verbunden sein, während der andere Anschluss des Kondensators mit einem eingangsseitigen Zwischenkreis zumindest eines der DC/AC-Wandler verbunden ist. Dabei kann der zweite Anschluss des Kondensators entweder mit dem negativen Pol oder mit dem positiven Pol des Zwischenkreises verbunden sein. Bei einem geteilten Zwischenkreis ist es auch möglich, dass der zweite Anschluss des Kondensators mit einem Mittelpunkt des Zwischenkreises verbunden ist. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass jeder der Phasenanschlüsse des Wechselrichters mit jeweils einem Anschluss von m Kondensatoren verbunden sein, während der jeweils andere Anschluss der m Kondensatoren mit einem eingangsseitigen Zwischenkreis eines unterschiedlichen der DC/AC-Wandler verbunden ist. Dabei bezeichnet m die Anzahl der DC/AC-Wandler des Wechselrichters.
-
Eine erfindungsgemäße Energieerzeugungsanlage beinhaltet einen erfindungsgemäßen Wechselrichter und zumindest eine eingangsseitig an den Wechselrichter angeschlossenen Gleichspannungsquelle. Die zumindest eine Gleichspannungsquelle kann einen Photovoltaik (PV) - Generator und/oder eine Batterie umfassen. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Wechselrichter erläuterten Vorteile.
-
Figurenliste
-
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einem eine Drosselanordnung umfassenden Sinusfilters;
- 2a eine erste Ausführungsform einer Drosselanordnung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
- 2b eine zweite Ausführungsform einer Drosselanordnung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
- 2c eine dritte Ausführungsform einer Drosselanordnung eines erfindungsgemäßen Wechselrichters;
-
Figurenbeschreibung
-
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 dargestellt. Der Wechselrichter 1 umfasst exemplarisch einen Eingang 2a und zwei weitere Eingänge 2b, 2c, mit jeweils zwei Eingangsanschlüssen. Zudem weist der Wechselrichter 1 einen mehrphasig ausgebildeten Ausgang 9 mit insgesamt drei Phasenanschlüssen U, V, W auf. Jeder der Eingänge 2a, 2b, 2c ist jeweils über einen Zwischenkreis 8.1 - 8.3 mit einem von mehreren - hier: drei - DC/AC-Wandlern 3.1 - 3.3 verbunden. Die drei DC/AC Wandler 3.1 - 3.3 werden von einer Steuerung 7 des Wechselrichters 1 gesteuert. Dabei generiert die Steuerung 7 insbesondere Taktsignale für Halbleiterschalter der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3. Jeder der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 ist dreiphasig ausgeführt und weist an seinem Ausgang jeweils drei Phasenleiter 4.1 - 4.3 auf. Jeder der Phasenleiter 4.1 - 4.3 ist jeweils über eine Drossel 11.1.1 - 11.3.3 einer Drosselanordnung 10 mit einem korrespondierenden der Phasenanschlüsse U, V, W verbunden. Auf diese Weise ist jeder der Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1 stets über eine der Drosseln 11.1.1 - 11.3.3 mit genau einem dem Phasenanschluss U, V, W zugeordneten Phasenleiter jedes DC/AC-Wandlers 3.1 - 3.3 verbunden. Die Drosseln 11.1.1 - 11.3.3. der Drosselanordnung 10 bilden zusammen mit Kondensatoren 6 einen Sinusfilter des Wechselrichters 1. Die Kondensatoren 6 sind mit einem Anschluss jeweils mit einem der Phasenanschlüsse U, V, W und mit dem anderen Anschluss mit einem negativen Pol des Zwischenkreises 8.1 - 8.3 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Kondensatoren 6 in 1 lediglich für den ersten DC/AC-Wandler 3.1 eingezeichnet. Dennoch sind entsprechende Kondensatoren 6 auch für die weiteren DC/AC-Wandler 3.2, 3.3 vorhanden. Zwischen einem Verbindungspunkt korrespondierender Phasenleiter 4.1 - 4.3 der unterschiedlichen DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 und den Phasenanschlüssen ist ein AC-Lasttrennschalter 5 angeordnet, der geeignet ist, die Phasenanschlüsse U, V, W von Ausgängen der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 zu trennen. Optional kann jeweils ein Eingangsanschluss des Einganges 2a mit einem korrespondierenden Eingangsanschluss eines oder beider weiteren Eingänge 2b, 2c verbunden sein. Auf diese Weise können Gleichspannungsquellen, die an dem Eingang 2a und den weiteren Eingängen 2b, 2c angeschlossen sind, mit einem gemeinsamen Bezugspotential betrieben werden. Alternativ ist auch denkbar, dass jeder der beiden Eingangsanschlüsse des Eingangs 2a mit einem korrespondierenden Eingangsanschluss der weiteren Eingänge 2b, 2c verbunden ist. In dieser Variante können Gleichspannungsquellen, die an den Eingängen 2a, 2b, 2c angeschlossen sind, parallel zueinander betrieben werden. Die optionale Verbindung von einem oder zwei Eingangsanschlüssen ist in 1 jeweils durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Bei den Gleichspannungsquellen, die an den Eingängen 2a, 2b, 2c angeschlossen sind, kann es sich um wiederaufladbare Batterien oder Photovoltaik Generatoren (in 1 nicht dargestellt) handeln. Der Wechselrichter 1 ist prinzipiell bidirektional betreibbar, also in der Lage, eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und umgekehrt, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln.
-
In einem Betrieb des Wechselrichters 1 werden Halbleiterschalter der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 über die Steuerung 7 über ein PWM - Verfahren getaktet. Dabei erfolgt die Taktung unterschiedlicher DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 phasenversetzt (interleaved) zueinander. Bei dem in 1 dargestellten Fall werden die Halbleiterschalter des ersten DC/AC-Wandlers 3.1 mit einem Phasenversatz von 0, die des zweiten DC/AC-Wandlers 3.2 mit einem Phasenversatz von 2/3 π, und die des dritten DC/AC-Wandlers 3.3 mit einem Phasenversatz von 4/3 π getaktet. Auf diese Weise wird der Phasenversatz einer Periode von 2π auf die 3 insgesamt vorhandenen DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 aufgeteilt. Durch die Phasen versetzte Ansteuerung der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 wird ein Spannungsripple an jedem der Phasenanschlüsse U, V, W wird minimiert.
-
Die Drosselanordnung 10 und die Kondensatoren 6 bilden einen für alle DC/AC - Wandler 3.1 - 3.3 gemeinsamen Sinusfilter des Wechselrichters 1 aus. Der Sinusfilter dämpft taktfrequente harmonische Störsignale, die zusätzlich zu dem sinusförmigen Nutzsignal auf den Phasenleitern 4.1 - 4.3 der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 vorhanden sind und aus dem getakteten Schalten der Halbleiterschalter herrühren. Gleichzeitig ist der Sinusfilter, insbesondere die Drosselanordnung 10 in der Lage, zirkulierende Ströme zwischen den unterschiedlichen DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 signifikant zu dämpfen. Die Drosselanordnung 10 ist zudem kompakt und kostengünstig herstellbar.
-
In 2a ist eine erste Ausführungsform einer Drosselanordnung 10, die zur Verwendung in einem Sinusfilter des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 gemäß 1 ausgelegt ist, dargestellt. Die Drosselanordnung 10 enthält einen in einer Ebene verlaufenden Magnetkern 12, der drei Querstege 13.1 - 13.3, zwei äußere Längsstege 14 und zwei innere Längsstege 15 umfasst. Die Querstege 13.1 - 13.3 bilden (aus einer Blickrichtung auf die Ebene des Magnetkerns 12) zusammen mit den äußeren 14 und den inneren Längsstegen15 ein kreuzartiges Muster. Insgesamt werden dabei sechs rechteckige Maschen 19 von Teilen der Längs- 14, 15 und Querstege 13.1 - 13.3 umgeben. Jeder der Querstege 13.1 - 13.3 umfasst jeweils 3 Segmente 16.1 - 16.3. Auf jeden der Querstege 13.1 - 13.3, insbesondere auf deren Segmenten 16.1 - 16.3, sind zudem drei Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 aufgebracht. Diejenigen der Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3, die sich auf demselben der Querstege 13.1 - 13.3 befinden, sind jeweils einem bestimmten der Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1 zugeordnet. Hingegen sind diejenigen der Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3, die auf unterschiedlichen Querstegen 13.1 - 13.3 angeordnet sind, unterschiedlichen Phasenanschlüssen U, V, W des Wechselrichters 1 zugeordnet. Konkret sind in dem in 2a dargestellten Fall die links untereinander angeordneten Drosselwicklungen 11.1.1, 11.2.1, 11.3.1 mit den drei Phasenleitern 4.1 des ersten DC/AC-Wandlers 3.1 verbunden. Die mittleren untereinander angeordneten Drosselwicklungen 11.1.2, 11.2.2, 11.3.2 sind mit den drei Phasenleitern 4.2 des zweiten DC/AC-Wandlers 3.2 und die rechts untereinander angeordneten Drosselwicklungen 11.1.3, 11.2.3, 11.3.3 sind mit den drei Phasenleitern 4.3 des dritten DC/AC-Wandlers 3.3 verbunden. Mit anderen Worten sind spaltenweise untereinander auf verschiedenen Querstegen 13.1 - 13.3 angeordnete Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 jeweils demselben der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 und zeilenweise nebeneinander auf gleichen Querstegen 13.1 - 13.3 angeordnete Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 jeweils demselben der Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1 zugeordnet.
-
Der Magnetkern 12 der Drosselanordnung 10, insbesondere jeder der Längsstege 14, 15 und der Segmente 16.1 - 16.3 der Querstege 13.1 - 13.3, kann aus einem gesinterten Pulvermaterial oder einem Blechstapel aufgebaut sein. Der Magnetkern 12 weist im Zusammenbau seine Längsstege 14,15 und Querstege 13.1 - 13.3 magnetisch wirkende Spalte 18 auf. Im illustrierten Fall sind die Spalte 18 zwischen den äußeren Längsstegen 14 und den Segmenten der Querstege 13.1 - 13.3, wie auch zwischen den inneren Längsstegen 15 und den Segmenten der Querstege 13.1 - 13.3 angeordnet. Alternativ oder kumulativ dazu ist es möglich, dass magnetische Spalte auch in von den Drosselwicklungen 11.1.1 - 11. 3.3 bedeckten Bereichen der Querstege 13.1 - 13.3 angeordnet sind.
-
Im Betrieb des Wechselrichters 1 ergeben sich magnetische Teilflüsse, die von jeder der Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 entsprechend dem aktuell durch die jeweilige Drosselwicklung 11.1.1 - 11.3.3 fließenden Strom erzeugt werden. Eine Steuerung 7 des Wechselrichters 1 kann die Halbleiterschalter der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 nun so takten, dass diejenigen der Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3, die auf demselben Quersteg 13.1 - 13.3 angeordnet sind und somit auch demselben der Phasenanschlüsse U, V, W zugeordnet sind, zu gleichen Zeiten auch von einem gleichgroßen oder einem ähnlich großen Strom durchflossen werden. Die sich somit ergebenden magnetischen Teilflüsse sind in 2a für zwei der Drosseln - hier: die Drosselwicklungen 11.2.1 und 11.2.2 - in Form gestrichelter Linien schematisch illustriert. Die Richtung der magnetischen Teilflüsse ist durch entsprechende Pfeile markiert. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die magnetischen Teilflüsse, die in den inneren Längssteggen 15 verlaufen, sich destruktiv überlagern und untereinander somit zumindest teilweise kompensieren. In den äußeren Längsstegen 14 fehlt hingegen ein kompensierend wirkender magnetischer Teilfluss für die links liegende Drosselwicklung 11.2.1. Eine ähnliche Argumentation kann unter Berücksichtigung der Drosselwicklungen 11.2.2 und 11.2.3 für den anderen der innenliegenden Längsstege durchgeführt werden. Insgesamt können aufgrund der destruktiven Überlagerung der magnetischen Teilflüsse benachbarter Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 die inneren Längsstege 15 mit einem deutlich geringeren Querschnitt ausgelegt werden als die äußeren Längsstege 14. Hierdurch ergibt sich eine signifikante Material-, Platz- und Kosteneinsparung für die Drosselanordnung 10 und dadurch auch für den die Drosselanordnung 10 beinhaltenden Wechselrichter 1.
-
In 2b ist eine zweite Ausführungsform einer Drosselanordnung 10 dargestellt, die zur Verwendung in einem Sinusfilter des erfindungsgemäßen Wechselrichters 1 nach 1 geeignet ist. Es werden im Folgenden lediglich Unterschiede zu der ersten Ausführungsform der Drosselanordnung 10 erklärt. Bei gleichen oder ähnlich gestalteten Elementen wird auf die Erklärung zur 2a verwiesen.
-
Im Unterschied zu der in 2a dargestellten Drosselanordnung 10 beinhaltet die zweite Ausführungsform zusätzlich einen weiteren Quersteg 17, auf dem keine Drosselwicklung angeordnet ist. Die äußeren 14 und inneren Längsstege 15 sind relativ zu der ersten Ausführungsform nach 2a länger ausgebildet. Der weitere Quersteg 17 ist an einem Außenrand der Drosselanordnung 10 angeordnet und verbindet dort die äußeren 14 Längsstege und die inneren Längsstege 15 der Drosselanordnung 10 miteinander. Relativ zu der Variante gemäß 2a ermöglicht der weitere Quersteg 17 einen größeren Freiheitsgrad bei einem unsymmetrischen Betrieb der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 und/oder der Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1. Konkret können sich einerseits die Leistungsflüsse durch die einzelnen der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 stärker unterscheiden. Andererseits können sich auch die Leistungsflüsse über die Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1 stärker voneinander unterscheiden. Indem der weitere Quersteg 17 die Drosselanordnung 10 nach außen begrenzt, schützt er so zu einem gewissen Anteil die unter ihm verlaufenden Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 vor einer mechanischen Beschädigung, die beispielsweise bei einem Zusammenbau des Wechselrichters 1 auftreten könnte.
-
In 2c ist eine dritte Ausführungsform der Drosselanordnung 10 illustriert. Relativ zu der zweiten Ausführungsform gemäß 2b sind die äußeren Längsstege 14 und die inneren Längsstege 15 nochmals länger ausgebildet. Die Drosselanordnung 10 in 2c weist nun insgesamt zwei weitere Querstege 17 auf, auf denen jeweils keine der Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.3.3 angeordnet ist. Die weiteren Querstege 17 sind an gegenüberliegenden Außenrändern der Drosselanordnung 10 angeordnet. Hierbei ergibt nochmals ein relativ zur Ausführungsform nach 2b größerer Freiheitsgrad im Hinblick auf einen unsymmetrischen Betrieb der DC/AC-Wandler 3.1 - 3.3 und der Phasenanschlüsse U, V, W des Wechselrichters 1. Zudem sind nun alle Drosselwicklungen 11.1.1 - 11.1.3 und 11.3.1 - 11.3.3, die sich unterhalb der weiteren Querstege 17 angeordnet sind, zumindest teilweise vor einer mechanischen Beschädigung geschützt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wechselrichter
- 2a, 2b, 2c
- Eingang
- 3.1 - 3.m
- DC/AC-Wandler
- 4.1 - 4.n
- Phasenleiter
- 5
- AC-Lasttrennschalter
- 6
- Kondensator
- 7
- Steuerung
- 8.1 - 8.m
- Zwischenkreis
- 9
- Ausgang
- 10
- Drosselanordnung
- 11.1.1 - 11.n.m
- Drosselwicklung
- 12
- Magnetkern
- 13.1 - 13.n
- Quersteg
- 14
- Längssteg
- 15
- Längssteg
- 16.1 - 16.m
- Segment
- 17
- Quersteg
- 18
- Spalt
- 19
- Masche
- U, V, W
- Phasenanschluss
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2013170906 A1 [0003]
- WO 2017063889 A1 [0004]
